Cum să implementați rapid și eficient sisteme flexibile de încărcare a vehiculelor electrice

Tendința către e-mobilitate se bazează pe disponibilitatea preconizată a unei infrastructuri de încărcare a vehiculelor electrice (EV) în stații publice, completată de sisteme de încărcare adecvate la domiciliul și la locul de muncă al utilizatorilor. Cu toate că cerințele de proiectare de bază rămân în mare măsură consecvente, fiecare tip de sistem are cerințe specifice, o complicație care este agravată de diferențele regionale la factori care variază de la platformele de comunicații la cerințele de conformitate.

Prin urmare, provocarea pentru proiectanții de infrastructuri de taxare este de a îndeplini cerințele de bază cu suficientă flexibilitate în proiectare pentru a satisface o gamă cât mai largă de utilizări finale și cerințe regionale, echilibrând în același timp costurile și timpul de lansare pe piață.

Acest articol descrie natura diversă a cerințelor de proiectare a stațiilor de încărcare publice. Apoi, prezintă o platformă de soluții flexibile de la NXP Semiconductors care poate fi utilizată pentru a lansa proiecte echipate pentru îndeplinirea acestor cerințe.

Satisfacerea diverselor provocări de proiectare

Eforturile de accelerare a tranziției către vehiculele electrice necesită disponibilitatea rapidă a unor echipamente eficiente de alimentare a vehiculelor electrice (EVSE), cunoscute mai frecvent sub denumirea de sisteme de încărcare a vehiculelor electrice. Necesitățile locale de conducere pot fi satisfăcute cu ajutorul încărcătoarelor c.a. - c.c. încorporate în vehicule pentru încărcarea la domiciliu sau la birou, dar aceste sisteme de încărcare nu sunt în măsură să reducă anxietatea legată de autonomia vehiculelor electrice, care continuă să limiteze adoptarea acestora. Mobilitatea electrică pe termen lung depinde de disponibilitatea sistemelor publice de încărcare a vehiculelor electrice în curent continuu, capabile să încarce un vehicul electric mult mai rapid decât încărcătoarele c.a. - c.c. încorporate. În același timp, aceste sisteme diferite de încărcare a vehiculelor electrice trebuie să se conformeze unui număr de standarde și reglementări în materie de siguranță, securitate și confidențialitate.

Pentru dezvoltatorii care creează soluții de sisteme de încărcare a vehiculelor electrice, necesitatea de a furniza soluții eficiente pentru fiecare caz de utilizare specifică prezintă atât oportunități extraordinare, cât și provocări tehnice semnificative. Printre provocări, dezvoltatorii trebuie să ofere un set larg de capabilități într-o gamă de modele capabile să ofere performanța și eficiența necesare, respectând în același timp cerințele specifice fiecărei aplicații. Pentru a răspunde acestei nevoi este necesară adaptarea arhitecturii fundamentale care stă la baza tuturor sistemelor de încărcare a vehiculelor electrice.

Adaptarea arhitecturii de bază a sistemului de încărcare a vehiculelor electrice

Indiferent de aplicația lor țintă specifică, sistemele de încărcare a vehiculelor electrice includ două subsisteme majore – un front-end de furnizare a energiei și un controler backend de gestionare a energiei – separate de o barieră de izolare (Figura 1).

Figura 1: arhitectura de bază pentru sistemele de încărcare a vehiculelor electrice include subsisteme separate pentru interfața prizei de alimentare și controlerul, separate de o barieră de izolare. (Sursă imagine: NXP Semiconductors)

Pe circuitul front-end, orientat spre vehicul și sursa de energie, subsistemul de interfață cu priza de alimentare gestionează alimentarea cu energie a vehiculului. De cealaltă parte a barierei de izolare, subsistemul controlerului se ocupă de siguranță, comunicații și alte funcții de nivel înalt. În general, punerea în aplicare a acestor subsisteme depinde de câteva blocuri fundamentale pentru îndeplinirea cerințelor specifice de metrologie, control, siguranță funcțională, securitate și comunicații asociate fiecărei aplicații specifice.

Fiecare componentă contribuie cu o funcționalitate critică la proiectarea generală a sistemului de încărcare a vehiculelor electrice. Unitatea metrologică trebuie să asigure un transfer de energie sigur, precum și o măsurare precisă a energiei, protejată împotriva manipulării, în scopul facturării. Unitatea de control asigură executarea fiabilă a diferitelor protocoale necesare pentru transferul de energie în aval și transferul de date în amonte, bazându-se pe capacitățile de siguranță funcțională și securitate, susținând în același timp cerințele locale și regionale specifice pentru plata securizată și protocoalele de comunicare utilizate pentru a comunica cu resursele bazate pe cloud.

În trecut, dezvoltatorii trebuiau să adapteze arhitectura de bază pentru încărcarea vehiculelor electrice la cerințele lor, implementând fiecare element constitutiv necesar, folosind, de obicei, proiecte personalizate care încorporau o gamă largă de dispozitive de uz general. Familia de soluții NXP pentru încărcarea vehiculelor electrice oferă o alternativă eficientă, permițând dezvoltatorilor să combine elemente constituente disponibile în comerț pentru a crea rapid proiecte de sisteme de încărcare a vehiculelor electrice pentru o gamă largă de aplicații țintă.

Implementarea front-end-ului sistemului de încărcare a vehiculelor electrice

Soluțiile NXP pentru încărcarea vehiculelor electrice se învârt în jurul mai multor familii de procesoare concepute special pentru a oferi performanța și funcționalitatea necesare în aplicații solicitante, cum ar fi proiectarea sistemelor de încărcare a vehiculelor electrice. Printre aceste familii de procesoare, membrii seriei de microcontrolere (MCU) Kinetis KM3x de la NXP au fost concepuți special pentru a furniza o măsurătoare precisă și certificabilă a livrării de putere. Bazate pe un nucleu Arm® Cortex® M0+ pe 32 de biți, MCU-urile Kinetis KM3x integrează un set extins de blocuri funcționale pentru măsurare, securitate, comunicații și suport de sistem, împreună cu memorie flash și memorie statică cu acces aleatoriu (SRAM) pe cip (Figura 2).

Figura 2: seria Kinetis KM3x integrează un set complet de blocuri funcționale necesare pentru a implementa o măsurare precisă și certificabilă a livrării de energie. (Sursă imagine: NXP Semiconductors)

Pentru a simplifica implementarea metrologică, front-end-ul de măsurare MCU KM35x integrează un convertor analog-digital (ADC) sigma-delta de înaltă precizie, mai multe ADC-uri de registre de aproximare succesivă (SAR), până la patru amplificatoare cu câștig programabil (PGA-uri), un comparator analogic de mare viteză (HSCMP), un bloc logic de compensare a fazei și o referință de tensiune internă de înaltă precizie (VREF) cu abatere la temperaturi scăzute. Pentru a proteja integritatea unității metrologice, funcționalitatea de securitate pe cip acceptă atât detectarea activă, cât și pasivă a manipulărilor, cu marcaj temporal. Folosite în combinație cu senzori externi, relee și alte periferice, aceste blocuri pe cip oferă toate funcționalitățile necesare pentru implementarea rapidă a unui subsistem metrologic sofisticat pentru un front-end de priză de alimentare a unui sistem de încărcare a vehiculelor electrice (Figura 3).

Figura 3: cu un MCU Kinetis KM, dezvoltatorii au nevoie doar de câteva componente externe suplimentare pentru a implementa un subsistem de priză de alimentare pentru vehicule electrice. (Sursă imagine: NXP Semiconductors)

Implementarea controlerului sistemului de încărcare a vehiculelor electrice

După cum s-a menționat mai sus, un controler de sisteme de încărcare a vehiculelor electrice orchestrează o mare varietate de capacități funcționale necesare în fiecare sistem. Cerințele acestui subsistem impun utilizarea unui procesor capabil să ofere atât performanța în timp real, necesară pentru a asigura un control precis al sistemului de încărcare, cât și capacitatea de procesare necesară pentru a susține diverse protocoale, minimizând în același timp amprenta și costul de proiectare.

Bazată pe nucleul Arm Cortex-M7, seria de procesoare crossover i.MX RT de la NXP oferă capabilitățile în timp real ale microcontrolerelor încorporate cu performanțe la nivel de procesor de aplicații. Cu o frecvență de operare de 600 megahertzi (MHz) și o gamă completă de periferice, procesoarele i.MX RT, cum ar fi i.MX RT1064, sunt capabile să satisfacă cerințele de răspuns în timp real cu latență redusă. În același timp, caracteristici precum o memorie mare pe cip, un controler de memorie externă, un subsistem grafic și mai multe interfețe de conectivitate răspund cerințelor aplicațiilor (Figura 4).

Figura 4: procesorul crossover i.MX RT1064 combină perifericele și memoria cu un subsistem de procesor Arm Cortex-M7 conceput pentru a oferi atât execuție în timp real, cât și performanță la nivel de procesor de aplicații. (Sursă imagine: NXP Semiconductors)

Pe lângă îndeplinirea cerințelor critice de performanță și în timp real, proiectele sistemelor de încărcare a vehiculelor electrice trebuie să garanteze securitatea pe mai multe fronturi, inclusiv detectarea manipulărilor și autentificarea conexiunilor electrice și a metodelor de plată. Pentru protecția datelor, inițializare securizată și depanare securizată, dezvoltatorii pot apela la caracteristicile de securitate integrate ale procesorului i.MX RT, inclusiv inițializare de înaltă siguranță, criptografie hardware, criptare a magistralei, stocare nevolatilă securizată și un controler JTAG (Joint Test Action Group) securizat.

Pentru a întări și mai mult securitatea într-un controler de sistem de încărcare pentru vehicule electrice, în mod normal, un proiect ar completa capacitățile de securitate ale procesorului i.MX RT prin includerea unui element securizat NXP EdgeLock SE050. Proiectat pentru a oferi securitate pe toată durata ciclului de viață, SE050 oferă acceleratori de securitate pe bază de hardware pentru o gamă de algoritmi de criptografie populari, funcționalitate TPM (Trusted Platform Module), tranzacții pe magistrală securizate și stocare securizată. Prin utilizarea acestui dispozitiv pentru a oferi un sistem Root-of-Trust (RoT) pentru mediul de execuție, dezvoltatorii pot securiza operațiunile critice, inclusiv autentificarea, integrarea securizată, protecția integrității și atestarea.

Utilizând un procesor i.MX RT și un dispozitiv EdgeLock SE05x, dezvoltatorii au nevoie doar de câteva componente suplimentare pentru a implementa un subsistem de controler conceput pentru a rula un sistem de operare în timp real (RTOS) de înaltă performanță (Figura 5).

Figura 5: datorită funcționalității și capacităților de performanță integrate, MCU-urile i.MX RT simplifică proiectarea subsistemelor de controler pentru sistemele de încărcare a vehiculelor electrice. (Sursă imagine: NXP Semiconductors)

Soluții flexibile pentru diverse aplicații ale sistemelor de încărcare a vehiculelor electrice

Prin combinarea subsistemului de alimentare și a subsistemelor de control menționate mai sus cu blocuri opționale pentru opțiunile de plată și de comunicații, dezvoltatorii pot implementa rapid un sistem monofazat de încărcare a vehiculelor electrice, capabil să furnizeze până la 7 kilowați (kW) (Figura 6).

Figura 6: folosite în combinație, un MCU KM3 și un procesor crossover i.MX RT oferă o bază hardware eficientă pentru sistemele de încărcare a vehiculelor electrice. (Sursă imagine: NXP Semiconductors)

Cu modificări relativ modeste ale front-end-ului analogic, același proiect poate fi extins pentru a furniza un sistem trifazat de încărcare a vehiculelor electrice, capabil să furnizeze până la 22 kW (Figura 7).

Figura 7: dezvoltatorii pot adapta rapid un proiect bazat pe un MCU KM3 și un procesor crossover i.MX RT pentru a susține o varietate de aplicații. (Sursă imagine: NXP Semiconductors)

Deși această combinație de dispozitive KM3x și i.MX RT se va potrivi în multe cazuri de utilizare, alte aplicații ale sistemelor de încărcare a vehiculelor electrice pot necesita ca dezvoltatorii să optimizeze alte aspecte ale proiectelor lor. De exemplu, încărcătoarele rezidențiale destinate să ofere timpi de încărcare mai rapizi decât cei posibili cu încărcătoarele de la bord vor necesita soluții pentru optimizarea costurilor și a amprentei. Pentru aceste aplicații, dezvoltatorii pot implementa un controler de nivel de bază, cu costuri mai mici, utilizând un MCU rentabil, cum ar fi NXP LPC55S69.

În schimb, încărcătoarele EVSE comerciale destinate stațiilor publice vor avea cerințe mai stricte în ceea ce privește procesarea aplicațiilor de mare viteză și performanța în timp real. Acestea sunt necesare pentru a controla în siguranță sistemele de stocare a bateriilor care funcționează la niveluri cuprinse între 400 și 1000 de volți și care furnizează niveluri de încărcare de 350 kW sau mai mult. În acest caz, capacitatea de a executa atât software la nivel de aplicație, cât și software în timp real este esențială pentru performanță și funcționalitate. Pentru aceste sisteme, utilizarea unui procesor precum NXP i.MX 8M permite dezvoltatorilor să implementeze mai ușor soluții de încărcare capabile să asigure atât procesarea aplicațiilor bazate pe Linux, cât și performanța în timp real activată de RTOS necesară în aceste proiecte complexe (Figura 8).

Figura 8: pentru aplicații mai complexe, cum ar fi încărcarea ultra-rapidă a vehiculelor electrice, dezvoltatorii pot extinde arhitectura de bază pentru încărcarea vehiculelor electrice utilizând procesoare de înaltă performanță, cum ar fi procesoarele i.MX 8M, pentru a susține cerințele mai complexe ale controlerului. (Sursă imagine: NXP Semiconductors)

Implementarea rapidă a sistemelor de încărcare a vehiculelor electrice conectate în cloud

Procesoarele NXP, inclusiv Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 și i.MX 8M, oferă o platformă flexibilă pentru satisfacerea cerințelor specifice ale diferitelor aplicații ale sistemelor de încărcare a vehiculelor electrice. Cu toate acestea, în cazul aplicațiilor mai complexe, întârzierile în implementarea bazei hardware pot impune întârzieri semnificative în dezvoltarea aplicației sistemului de încărcare a vehiculelor electrice de la un capăt la altul.

Pentru a evita astfel de întârzieri, NXP oferă o cale rapidă de dezvoltare folosind un set de plăci și kituri de evaluare bazate pe dispozitivele discutate anterior. De exemplu, modulul NXP TWR-KM34Z75M oferă o platformă metrologică completă care combină un MCU metrologic Kinetis MKM34Z256VLQ7 cu un set complet de componente auxiliare. În mod similar, kitul de evaluare i.MX RT1064 de la NXP combină un procesor MIMXRT1064DVL6 cu 256 megabiți (Mbit) de SDRAM, 512 Mbit de memorie flash, 64 Mbit de memorie flash quad SPI (QSPI), toate pe o placă cu patru straturi, completată cu un set extins de conectori periferici, inclusiv o interfață Arduino. În plus, placa OM-SE050ARD de la NXP oferă acces rapid la EdgeLock SE050, iar placa de evaluare PNEV5180BM de la NXP oferă o placă de dezvoltare front-end NFC.

Prin combinarea plăcii NXP TWR-KM34Z75M pentru metrologie, a plăcii i.MX RT1064 pentru funcțiile de control și a plăcilor OM-SE050ARD și PNEV5180B, dezvoltatorii pot implementa rapid o platformă hardware cu funcții complete pentru crearea de aplicații pentru sisteme de încărcare a vehiculelor electrice (Figura 9).

Figura 9: dezvoltatorii pot implementa rapid soluții complete de încărcare a vehiculelor electrice de la un capăt la altul, folosind plăci NXP și kituri de evaluare cu ajutorul serviciilor cloud disponibile, cum ar fi Microsoft Azure. (Sursă imagine: NXP Semiconductors)

Utilizate în combinație cu serviciile cloud Microsoft Azure, soluțiile NXP la nivel de placă permit dezvoltatorilor să realizeze rapid prototipuri pentru o soluție completă de sistem de încărcare a vehiculelor electrice de la un capăt la altul și să utilizeze platforma ca bază pentru proiectarea unor aplicații mai specializate.

Concluzie

Disponibilitatea imediată a sistemelor de încărcare a vehiculelor electrice este un factor cheie pentru mobilitatea electrică, însă implementarea rentabilă a diferitelor soluții necesare în locuințe, birouri și stații publice rămâne o barieră. Utilizând o platformă de dispozitive specializate și soluții pentru plăci de la NXP Semiconductors, dezvoltatorii pot implementa rapid proiecte cu performanța necesară pentru a satisface întreaga gamă de aplicații de încărcare a vehiculelor electrice și cu flexibilitatea de a se adapta la cerințele emergente.